双金属挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的Fano共振传感特性

陈颖; 曹景刚; 许扬眉; 高新贝; 谢进朝; 唐心亮; 李少华

doi:doi:10.3788/CJL201946.0213001

中国激光, 2019, 46 (2): 0213001, 网络出版: 2019-05-09

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Fano Resonance Sensing Characteristics of Metal-Dielectric-Metal Waveguide Coupling Square Cavity with Bimetallic Baffle

论文大纲

陈颖 ^1,*曹景刚 ¹许扬眉 ¹高新贝 ¹谢进朝 ¹唐心亮 ^2,*李少华 ³

作者单位

¹ 燕山大学电气工程学院测试计量技术与仪器河北省重点实验室, 河北秦皇岛 066004

² 河北科技大学信息科学与工程学院, 河北石家庄 050018

³ 河北先河环保科技股份有限公司, 河北石家庄 050000

表面光学表面等离极化激元波导双金属挡板方形腔 Fano共振 optics at surfaces surface plasmon polaritons waveguide bimetallic baffle square cavity Fano resonance

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摘要

基于表面等离激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含双金属挡板的金属-电介质-金属(MDM)波导耦合方形腔结构。法布里-珀罗(F-P)谐振腔产生的宽连续态与由方形谐振腔产生的窄离散态干涉相消,形成了Fano共振。基于耦合模理论,定性分析了该结构Fano共振的产生机理。利用有限元法对该结构进行了仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明,优化参数后该结构的折射率灵敏度高达1080 nm/RIU,优质因子高达7.35×10 ⁵。

Abstract

A metal-dielectric-metal (MDM) waveguide-coupled square cavity structure with bimetallic baffle is proposed based on the transmission characteristics of surface plasmon polaritons in sub-wavelength structure. The Fano resonance is an asymmetric spectral line formed by the destructive interference between the wide continuous state generated by the Fabry-Perot (F-P) resonator and the narrow discrete state interference generated by the square cavity. Based on the coupled mode theory, the generation mechanism of the Fano resonance of the structure is qualitatively analyzed. The structure is simulated by finite element method , and the influence of structural parameters on the refractive index sensing characteristics is qualitatively analyzed. The results show that the refractive index sensitivity of the proposed structure reaches 1080 nm/RIU and the figure of merit reaches 7.35×10 5 after optimizing the parameters.

1 引言

表面等离激元(SPPs)是金属表面自由电子与光波相互作用产生的电磁波,电磁波在金属和介质的界面上向前传播,在垂直于界面的方向上呈指数形式衰减^[1-2]。SPPs能突破衍射极限并在亚波长尺寸上实现对光的操控,为实现高度集成的纳米光子回路提供可能^[3]。金属-电介质-金属(MDM)波导能将SPPs束缚在介质层,且对光波有很强的局域作用,具有结构简单、易于制备、传输距离长及损耗低等优点^[4]。因此,利用MDM波导对SPPs传输特性进行操控,可实现光子器件的微型化和集成化^[5]。在MDM波导结构中产生的Fano共振效应对环境变化特别敏感,在纳米级光开关、慢光及高灵敏度传感等领域有着重要的应用价值^[6-8]。

MDM波导的较强的场局域能力及Fano共振的独特性质,使在MDM波导中实现Fano共振成为研究热点。Yang等^[9]设计了一种含单金属挡板的MDM波导耦合方形腔结构,单挡板形成的较宽的连续态与方形腔形成的离散态耦合形成Fano共振,其优质因子(FOM)为1.7×10⁵,该结构具有良好的传感性能。石悦等^[10]设计了一种含单金属挡板的耦合开口方形环结构,研究了方形腔的长度和开口的大小对Fano共振线型的影响及该结构的折射率灵敏特性,FOM最大为1.31×10⁵。安厚霖等^[11]设计了一种含单金属挡板的MDM波导耦合T型腔结构,当T型腔倒置时,通过改变T型腔的长度和高度进行结构参数优化,FOM最大为9.37×10⁴。目前,含单挡板的MDM波导研究已经比较成熟,相关的理论也已建立起来,利用单金属挡板对光的反射和透射作用可以产生连续态,在此基础上本文提出一种含双金属挡板的MDM波导。双金属挡板对光具有更强的局域作用,因此可以产生较宽的连续态,并且通过调节双金属挡板的距离可以调节连续态的位置,从而使法布里-珀罗(F-P)腔与方形腔耦合形成的Fano共振峰更陡峭、带宽更窄,即具有更高的FOM值。具有该特点的波导在超快光开关和高灵敏传感器方面有潜在应用。

本文设计了一种含双金属挡板的MDM波导耦合方形腔的结构,当TM波入射到MDM波导上时,在金属表面会产生SPPs,SPPs会在F-P腔中形成较宽的连续态。SPPs通过F-P腔耦合进入方形腔并发生谐振,产生一个较窄的离散态,连续态和离散态相互耦合产生Fano共振。基于耦合模理论定性分析该Fano共振现象产生机理。采用有限元方法对该结构进行仿真分析,定量分析结构参数对Fano共振传输特性的影响,实现对结构传感特性的调控。

2 结构模型与理论分析

2.1 结构模型

所提出的含双金属挡板的MDM波导耦合方形谐振腔的结构如图1(a)所示,其中,电介质为空气,空气的折射率为1,金属为银。为了确保MDM波导中只传播TM模式,将直波导w的宽度固定为50 nm^[12]。双金属挡板的厚度均为d,两档板间形成的矩形腔可视作F-P腔,其长度为L₁,与方形腔的耦合距离为g,方形腔的宽度和高度均为l,整个波导的长度为L。L₁=500 nm,l=650 nm,g=20 nm时的结构示意图和透射光谱图如图1所示。

图 1. 含双金属挡板的MDM波导耦合方形谐振腔。(a)腔结构;(b)透射光谱;(c)相位图

Fig. 1. MDM waveguide coupled square cavity with bimetallic baffle. (a) Cavity structure; (b) transmission spectra; (c) phase diagram

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Ag的介电常数可用Drude模型^[13]表示,表达式为

\begin{matrix} ε_{m} (ω) = ε_{\infty} - ω_{p}^{2} / ω (ω + iγ), (1) \end{matrix}

式中,ω为入射光的频率,等离子振荡频率ω_p=1.38×10¹⁶ Hz,无穷介电常数 $\begin{matrix} ε_{\infty} \end{matrix}$ =3.7,碰撞频率γ=0.273×10¹⁴ Hz。没有双金属挡板时,该透射谱曲线在波长λ=1054 nm处出现明显的损耗,此时光波都被局域在方形腔内,谱线上产生一个尖锐的波谷,如图1(b)中红色曲线所示。没有方形腔时,形成的连续态比较宽,并在λ=1127 nm处有一个波谷,如图1(b)中蓝色曲线所示。含F-P腔的MDM波导耦合方形腔结构时,在原来较宽的连续态区域上会产生窄的非对称Fano共振线型,如图1(b)中的黑色曲线所示。因此,该结构既实现了Fano共振效应,也实现了类电磁诱导透明效应^[14]。由驻波理论可以确定F-P腔和方形腔的共振条件,也可以得到有效折射率n_eff和共振波长λ的关系,关系式为^[15]

\begin{matrix} λ = \frac{2 Re (n_{eff}) D}{m - ψ / π}, (m = 0,1, 2,3 \dots), (2) \end{matrix}

式中:D为谐振腔的有效长度;ψ为由于双金属挡板反射附加的相位移;m为共振阶数;n_eff为波导结构的有效折射率,Re(n_eff)为n_eff的实部,Re(n_eff)= $\begin{matrix} \sqrt[]{[ε_{m} + (k / k_{0})^{2}]} \end{matrix}$ ,k₀=2π/λ为自由空间波矢大小,波数k可用色散关系公式表示^[16]:

\begin{matrix} \tanh (kw) = \frac{- 2 k \frac{ε_{d}}{ε_{m}} \sqrt[]{k_{0}^{2} (ε_{d} - ε_{m}) + k^{2}}}{k^{2} + \frac{ε_{d}^{2}}{ε_{m}} [k_{0}^{2} (ε_{d} - ε_{m}) + k^{2}]}, (3) \end{matrix}

式中ε_d和ε_m分别为介质和金属的相对介电常数。当SPPs由F-P腔耦合进入到方形腔,且满足F-P腔的共振条件时,腔内会形成驻波,方形腔内的电磁场明显增强^[17]。

2.2 理论分析

当入射光以TM模式传播时,SPPs在亚波长波导结构的金属与电介质交界处被激发,突破衍射极限,激发的SPPs在波导中沿X轴方向传播,沿Y轴方向呈指数衰减。信号光可以通过直波导、F-P腔和方形腔的相互耦合,实现传输。因此,本研究基于时域耦合模理论对该结构产生的Fano共振现象进行分析^[18]。设F-P谐振腔归一化后的振幅为A,方形腔归一化后的振幅为B,F-P谐振腔和方形谐振腔随时间演化的光模场振幅可以表示为

\frac{dA}{dt} = (j ω_{A} - k_{o 1}^{2} - k_{e 1}^{2} - k_{e 2}^{2} - k_{e 3}^{2}) A + k_{e 1} S_{1 +} + k_{e 2} S_{2 +} + k_{e 3} B = iωA, (4)

\frac{dB}{dt} = (j ω_{B} - k_{o 2}^{2} - k_{e 3}^{2}) B + k_{e 3} A = iωB, (5)

式中:ω_A和ω_B分别为F-P腔和方形腔的谐振频率;k_o1和k_o2分别为F-P谐振腔和方形腔的内部衰减损耗系数;k_e1和k_e2分别为F-P谐振腔与MDM左右直波导层的耦合系数;k_e3为F-P谐振腔与方形腔的耦合系数;S₁₊,S₁_-,S₂₊和S₂_-分别表示端口的入射光和出射光的模场振幅,其输出端口不存在反射,故S₂₊=0。由能量守恒原理,可得到该结构中输入端和输出端的光模场振幅为

S_{1 -} = S_{1 +} + k_{e 1} A, (6)

S_{2 -} = S_{2 +} + k_{e 2} A 。 (7)

(4)~(7)式联立可以求得含F-P腔的MDM波导耦合方形腔结构的透射率T的表达式为

\begin{matrix} T = {|\frac{S_{2 -}}{S_{1 +}}|}^{2} = {|\frac{k_{e 1} k_{e 2} [i (ω - ω_{B}) + k_{o 2}^{2} + k_{e 3}^{2}]}{[i (ω - ω_{A}) + k_{o 1}^{2} + k_{e 1}^{2} + k_{e 2}^{2} + k_{e 3}^{2}] [i (ω - ω_{B}) + k_{o 2}^{2} + k_{e 3}^{2}] - k_{e 3}^{2}}|}^{2} 。 (8) \end{matrix}

由(8)式可以得到仅含F-P腔的MDM波导结构的透射率T的表达式为T= $\begin{matrix} {|\frac{S_{2 -}}{S_{1 +}}|}^{2} \end{matrix}$ = $\begin{matrix} {|\frac{k_{e 1} k_{e 2}}{[i (ω - ω_{A}) + k_{o 1}^{2} + k_{e 1}^{2} + k_{e 2}^{2}]}|}^{2} \end{matrix}$ 。因此,当ω=ω_A时,光波在F-P腔内发生谐振,连续态的透射谱线上会出现一个波峰。不含F-P腔的MDM波导耦合方形腔结构的透射率T的表达式为T= $\begin{matrix} {|\frac{S_{2 -}}{S_{1 +}}|}^{2} \end{matrix}$ = $\begin{matrix} {|\frac{i (ω - ω_{B}) + k_{o 2}^{2}}{i (ω - ω_{B}) + k_{o 2}^{2} + k_{e 4}^{2}}|}^{2} \end{matrix}$ ,其中,k_e4为MDM波导与方形腔的耦合系数。因此,当ω=ω_B时,光波在方形腔内发生谐振,方形腔中存在着较强的磁场分布,离散态的透射谱线上会出现一个尖锐的波谷,如图1(b)中的红色曲线所示。对于含F-P腔的MDM波导耦合方形腔结构,当入射光的频率ω、F-P腔的共振频率ω_A和方形腔的共振频率ω_B相等时,透射谱线会表现为明显的非对称Fano共振线型,耦合系数k_e3随方形腔与F-P腔的耦合间距g的增大而减小,因此耦合间距g越大,透射率越低。当F-P腔的共振频率ω_A和方形腔的共振频率ω_B相互接近时,Fano共振峰出现在ω=ω_B处,磁场分布如图2(c)所示,(8)式可表示为

\begin{matrix} T = {|\frac{S_{2 -}}{S_{1 +}}|}^{2} = {|\frac{k_{e 1} k_{e 2} (k_{o 2}^{2} + k_{e 3}^{2})}{[i(ω_{B} - ω_{A}) + k_{o 1}^{2} + k_{e 1}^{2} + k_{e 2}^{2} + k_{e 3}^{2}] (k_{o 2}^{2} + k_{e 3}^{2}) - k_{e 3}^{2}}|}^{2} 。 (9) \end{matrix}

为了更好地理解所提出结构的传输特性,利用COMSOL软件对该结构的稳态磁场分布进行仿真分析,仿真结果如图2所示。图2(a)为含F-P腔的MDM波导结构在共振谷波长λ=1127 nm处的稳态磁场分布,可以看出当λ=1127 nm时,只有很少的光波被耦合进F-P腔,大部分光波会被F-P腔的挡板反射,反射到直波导的光波与直波导中传播的光波相位相反,从而发生干涉相消,在透射光谱中表现为零传输现象,形成共振谷。对于含F-P腔的MDM波导耦合方形腔结构,当λ=967 nm和λ=1104 nm时,少量的光波被耦合进F-P腔和方形腔,如图1(c)所示,从F-P腔和方形腔反射回来的光波与直波导中传播的光波相位差为π,即相位相反,会发生干涉相消,使得SPPs被限制在F-P腔的左侧,不能传播到MDM波导的另一端,透射率基本为零,磁场分布如图2(b)和2(d)所示。当λ=1055 nm时,入射光同时满足F-P腔和方形腔的共振条件,在F-P腔和方形腔都存在着较强的磁场分布,如图1(c)所示,从F-P腔和方形腔反射回来的光波与直波导中传播的光波相位差为0,即相位相同,F-P腔和方形腔两个激发途径均发生了干涉增强,发生Fano共振,透射率约为0.6,磁场分布如图2(c)所示。

图 2. 稳态磁场分布。(a)含F-P腔的MDM波导结构在共振谷的稳态磁场分布;(b) Fano共振第一个波谷处的稳态磁场分布;(c) Fano共振峰处的稳态磁场分布;(d) Fano共振第二个波谷处的稳态磁场分布

Fig. 2. Distributions of steady magnetic field. (a) Distribution of steady magnetic field of MDM waveguide with F-P cavity structure in transmission dip; (b) distribution of steady magnetic field at first transmission dip of Fano resonance; (c) distribution of steady magnetic field at transmission peak of Fano resonance; (d) distribution of steady magnetic field at second transmission dip of Fano resonance

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3 传感特性分析

灵敏度是折射率传感器最直观的性能评价指标,定义其为共振峰位置的改变量与单位折射率(RIU)改变量的比值。传感器灵敏度的表达式为

\begin{matrix} S = \frac{Δλ}{Δn}, (10) \end{matrix}

式中,Δn表示折射率的变化量,Δλ表示共振峰的偏移量。

FOM是评价折射率传感器的另外一个重要指标,是一个无量纲的参数,其定义为在某一特定波长下,用待测物折射率变化dn导致的传感器探测透射光谱的相对强度变化dT/T来测量波长漂移。FOM表达式为^[19]

\begin{matrix} V_{FOM} = {(\frac{dT / dn}{T})}_{\max} = {[\frac{S_{λ} (dT / dλ)}{T}]}_{\max} 。 (11) \end{matrix}

在特定频率ω下的FOM的表达式为

\begin{matrix} V_{FOM} = \frac{ΔT}{TΔn} = \frac{T (ω, n) - T (ω, n_{0})}{T (ω, n_{0}) Δn}, (12) \end{matrix}

式中:T(ω,n₀)为透射率的初始值;T(ω,n)为环境变化后的透射率;Δn=n-n₀,为环境变化导致的折射率的差值。FOM体现了折射率传感器的灵敏度S、透射率T和分辨率dT/dn之间的关系,Fano共振峰越尖锐,其分辨率dT/dn越高,从而FOM值增大,传感性能越好。

3.1 结构参数L1对传感特性的影响

从460 nm到580 nm对参数L₁进行参数化扫描,步长为20 nm,其中l=650 nm,g=20 nm。如图3(a)所示,随着L₁的增大,F-P腔对光波的局域作用增强,导致透射率减小。如图3(b)所示,随着L₁的增大,FOM先增大后减小。采用数学二分法对L₁进行进一步扫描,计算出对应的FOM值,可以得到,当L₁=566 nm时,FOM最大,由(12)式计算得到FOM为7.18×10⁵,如图3(c)所示。

图 3. L1对传感特性的影响。(a) L1对Fano共振线型的影响;(b) L1对FOM值的影响;(c) L1对应的FOM最大值

Fig. 3. Influence of L1 on sensing characteristics. (a) Influence of L1 on Fano resonance line shape; (b) influence of L1 on FOM; (c) maximum FOM corresponding to L1

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3.2 结构参数l对传感特性的影响

对参数l从620 nm到680 nm进行参数化扫描,步长为10 nm,其中L₁=566 nm,g=20 nm。如图4(a)所示,随着l的增加,共振波长发生红移, 该现象可由(2)式解释。随着l的增加,方形腔与直波导和F-P腔的耦合面积增加,光波经过直波导和F-P腔与方形腔的耦合作用增强,因此透射率增加。如图4(b)所示,随着l的增加,FOM先增大后减小。采用数学二分法对l进行进一步扫描,计算出对应的FOM,可以得到,当l=651 nm时,FOM取最大值(7.35×10⁵),如图4(c)所示。

图 4. l对传感特性的影响。(a) l对Fano共振线型的影响;(b) l对FOM值的影响;(c) l对应的FOM最大值

Fig. 4. Influence of l on sensing characteristics.(a) Influence of l on Fano resonance line shape; (b) influence of l on FOM;(c) maximum FOM corresponding to l

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3.3 结构参数g对传感特性的影响

对参数g从14~24 nm进行参数化扫描,步长为2 nm,其中l=651 nm,L₁=566 nm。如图5(a)所示,随着g的增加,SPPs通过F-P腔与方形腔的耦合损耗增加,耦合系数k_e3减小,Fano共振峰发生微小的蓝移,透射率明显降低,该现象与耦合模理论描述一致。如图5(b)所示,随着g的增加,FOM先增大后减小。对g从14 nm到24 nm进行参数化扫描,步长为1 nm,计算出对应的FOM,可得当g=20 nm时,FOM值最大,如图4(c)所示。

图 5. g和n对传感特性的影响。(a) g对Fano共振线型的影响;(b) g对FOM值的影响;(c) n对Fano共振峰的影响;(d)共振波长与环境折射率的拟合曲线

Fig. 5. Influence of g and n on sensing characteristics. (a) Influence of g on Fano resonance line shape; (b) influence of g on FOM; (c) influence of n on Fano resonance peak; (d) fitting curve between resonant wavelength and refractive index

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通过对结构参数l,L₁和g进行优化可以得到,当结构参数L₁=566 nm,l=651 nm,g=20 nm时,其FOM得到最大程度的优化。在该结构参数下对环境折射率的变化进行分析,对环境折射率n从1.00到1.05进行参数化扫描,步长为0.01,如图5(c)所示,可以看出随着n的增大,共振波长发生红移,这与(2) 式描述一致。图5(d)为共振波长和环境折射率的拟合曲线,两者具有很好的线性关系,由(10)式可得传感器的灵敏度约为1080 nm/RIU。

4 结论

设计了一种含双金属挡板的MDM波导耦合方形腔的Fano共振结构。当光波入射到MDM波导,在金属表面会产生SPPs,SPPs在F-P腔中形成较宽的连续态,同时耦合进入方形腔的SPPs与光波发生谐振,产生一个较窄的离散态,两者相互耦合形成Fano共振。并用耦合模理论定性分析了该Fano共振现象的产生机理。该结构对环境折射率的变化十分敏感,改变环境折射率,Fano共振峰会发生明显的漂移,从而实现传感测量。通过改变F-P腔的长度L₁、方形谐振腔的长度l和耦合间距g可以实现对Fano共振峰的位置、透射率和带宽的有效调控,且在较大的调控范围内都有着较好的传感特性。通过优化结构参数可以得到,当l=651 nm,L₁=566 nm和g=20 nm时,折射率灵敏度为1080 nm/RIU,FOM高达7.35×10⁵。因此,该结构在超快光开关、高灵敏传感器和慢光器件的高度集成领域有潜在应用。

参考文献

[1] Barnes W L, Dereux A, Ebbesen T W. Surface plasmon subwavelength optics[J]. Nature, 2003, 424(6950): 824-830.

[2] Zhang Z D, Luo L, Xue C Y, et al. Fano resonance based on metal-insulator-metal waveguide-coupled double rectangular cavities for plasmonic nanosensors[J]. Sensors, 2016, 16(5): 642.

[3] Ni G X. McLeod A S, Sun Z, et al. Fundamental limits to graphene plasmonics[J]. Nature, 2018, 557(7706): 530-533.

[4] Zhu J, Xu W J, Xu Z J, et al. Surface plasmon polariton mode in the metal-insulator-metal waveguide[J]. Optik, 2017, 134: 187-193.

[5] Owen R C, Murphy K S, Hoke K G, et al. Detection of guided-wave plasmon polariton modes in a high-index dielectric MIM structure[J]. Journal of Applied Physics, 2017, 122(12): 123101.

[6] Khatir M, Granpayeh N. An ultra compact and high speed magneto-optic surface plasmon switch[J]. Journal of Lightwave Technology, 2013, 31(7): 1045-1054.

[7] 陈颖, 罗佩, 田亚宁, 等. 含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔Fano共振慢光特性研究[J]. 光学学报, 2017, 37(9): 0924002.

Chen Y, Luo P, Tian Y N, et al. Fano resonance slow light characteristics of metal-dielectric-metal waveguide coupled ring cavity with metallic double-slit[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(9): 0924002.

[8] Tang Y, Zhang Z D, Wang R B, et al. Refractive index sensor based on fano resonances in metal-insulator-metal waveguides coupled with resonators[J]. Sensors, 2017, 17(4): 784.

[9] Yang J H, Song X K, Chen Z, et al. Tunable multi-fano resonances in MDM-based side-coupled resonator system and its application in nanosensor[J]. Plasmonics, 2017, 12(6): 1665-1672.

[10] 石悦, 张冠茂, 安厚霖, 等. 基于耦合开口方环共振空腔的可控法诺共振研究[J]. 光子学报, 2017, 46(4): 191-199.

Shi Y, Zhang G M, An H L, et al. Controllable Fano resonance based on coupled square split-ring resonance cavity[J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(4): 191-199.

[11] 安厚霖, 张冠茂, 胡南, 等. 基于耦合T型空腔的多重法诺共振现象[J]. 光子学报, 2016, 45(11): 1113003.

An H L, Zhang G M, Hu N, et al. Phenomenon of multiple Fano resonances based on coupled T-type cavity[J]. Acta Photonica Sinica, 2016, 45(11): 1113003.

[12] Chen Y, Luo P, Liu X F, et al. Sensing performance analysis on Fano resonance of metallic double-baffle contained MDM waveguide coupled ring resonator[J]. Optics & Laser Technology, 2018, 101: 273-278.

[13] Yun B F, Hu G H, Zhang R H, et al. Fano resonances in a plasmonic waveguide system composed of stub coupled with a square cavity resonator[J]. Journal of Optics, 2016, 18(5): 055002.

[14] Huang B, Meng H Y, Wang Q H, et al. Plasmonic-induced transparency and slow-light effect based on stub waveguide with nanodisk resonator[J]. Plasmonics, 2016, 11(2): 543-550.

[15] Zhang Y Y, Li S L, Chen Z, et al. Ultra-high sensitivity plasmonic nanosensor based on multiple fano resonance in the MDM side-coupled cavities[J]. Plasmonics, 2017, 12(4): 1099-1105.

[16] Wang S W, Li Y, Xu Q J, et al. A MIM filter based on a side-coupled crossbeam square-ring resonator[J]. Plasmonics, 2016, 11(5): 1291-1296.

[17] Zhang X Y, Wang L L, Chen Z, et al. The line shape of double-sided tooth-disk waveguide filters based on plasmon-induced transparency[J]. Chinese Physics Letters, 2015, 32(5): 054209.

[18] Zhang Z D, Ma L J, Gao F, et al. Plasmonically induced reflection in metal-insulator-metal waveguides with two silver baffles coupled square ring resonator[J]. Chinese Physics B, 2017, 26(12): 124212.

[19] Wen K H, Hu Y H, Chen L, et al. Fano resonance based on end-coupled cascaded-ring MIM waveguides structure[J]. Plasmonics, 2017, 12(6): 1875-1880.

陈颖, 曹景刚, 许扬眉, 高新贝, 谢进朝, 唐心亮, 李少华. 双金属挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的Fano共振传感特性[J]. 中国激光, 2019, 46(2): 0213001. Ying Chen, Jinggang Cao, Yangmei Xu, Xinbei Gao, Jinchao Xie, Xinliang Tang, Shaohua Li. Fano Resonance Sensing Characteristics of Metal-Dielectric-Metal Waveguide Coupling Square Cavity with Bimetallic Baffle[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(2): 0213001.

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1 引言

2 结构模型与理论分析

2.1 结构模型

图 1. 含双金属挡板的MDM波导耦合方形谐振腔。(a)腔结构;(b)透射光谱;(c)相位图

Fig. 1. MDM waveguide coupled square cavity with bimetallic baffle. (a) Cavity structure; (b) transmission spectra; (c) phase diagram

2.2 理论分析

图 2. 稳态磁场分布。(a)含F-P腔的MDM波导结构在共振谷的稳态磁场分布;(b) Fano共振第一个波谷处的稳态磁场分布;(c) Fano共振峰处的稳态磁场分布;(d) Fano共振第二个波谷处的稳态磁场分布

3 传感特性分析

3.1 结构参数L1对传感特性的影响

图 3. L1对传感特性的影响。(a) L1对Fano共振线型的影响;(b) L1对FOM值的影响;(c) L1对应的FOM最大值

Fig. 3. Influence of L1 on sensing characteristics. (a) Influence of L1 on Fano resonance line shape; (b) influence of L1 on FOM; (c) maximum FOM corresponding to L1

3.2 结构参数l对传感特性的影响

图 4. l对传感特性的影响。(a) l对Fano共振线型的影响;(b) l对FOM值的影响;(c) l对应的FOM最大值

Fig. 4. Influence of l on sensing characteristics.(a) Influence of l on Fano resonance line shape; (b) influence of l on FOM;(c) maximum FOM corresponding to l

3.3 结构参数g对传感特性的影响

图 5. g和n对传感特性的影响。(a) g对Fano共振线型的影响;(b) g对FOM值的影响;(c) n对Fano共振峰的影响;(d)共振波长与环境折射率的拟合曲线

Fig. 5. Influence of g and n on sensing characteristics. (a) Influence of g on Fano resonance line shape; (b) influence of g on FOM; (c) influence of n on Fano resonance peak; (d) fitting curve between resonant wavelength and refractive index

4 结论

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双金属挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的Fano共振传感特性 下载： 1108次

1 引言

2 结构模型与理论分析

2.1 结构模型

图 1. 含双金属挡板的MDM波导耦合方形谐振腔。(a)腔结构;(b)透射光谱;(c)相位图

Fig. 1. MDM waveguide coupled square cavity with bimetallic baffle. (a) Cavity structure; (b) transmission spectra; (c) phase diagram

2.2 理论分析

图 2. 稳态磁场分布。(a)含F-P腔的MDM波导结构在共振谷的稳态磁场分布;(b) Fano共振第一个波谷处的稳态磁场分布;(c) Fano共振峰处的稳态磁场分布;(d) Fano共振第二个波谷处的稳态磁场分布

3 传感特性分析

3.1 结构参数L1对传感特性的影响

图 3. L1对传感特性的影响。(a) L1对Fano共振线型的影响;(b) L1对FOM值的影响;(c) L1对应的FOM最大值

Fig. 3. Influence of L1 on sensing characteristics. (a) Influence of L1 on Fano resonance line shape; (b) influence of L1 on FOM; (c) maximum FOM corresponding to L1

3.2 结构参数l对传感特性的影响

图 4. l对传感特性的影响。(a) l对Fano共振线型的影响;(b) l对FOM值的影响;(c) l对应的FOM最大值

Fig. 4. Influence of l on sensing characteristics.(a) Influence of l on Fano resonance line shape; (b) influence of l on FOM;(c) maximum FOM corresponding to l

3.3 结构参数g对传感特性的影响

图 5. g和n对传感特性的影响。(a) g对Fano共振线型的影响;(b) g对FOM值的影响;(c) n对Fano共振峰的影响;(d)共振波长与环境折射率的拟合曲线

Fig. 5. Influence of g and n on sensing characteristics. (a) Influence of g on Fano resonance line shape; (b) influence of g on FOM; (c) influence of n on Fano resonance peak; (d) fitting curve between resonant wavelength and refractive index

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